外壓圓筒設(shè)計(jì)課件

外壓圓筒設(shè)計(jì)外壓圓筒設(shè)計(jì)1一、外壓容器失穩(wěn)外壓容器：容器外部壓力大于內(nèi)部壓力。石油、化工生產(chǎn)中外壓操作，例如：石油分餾中的減壓蒸餾塔、多效蒸發(fā)中的真空冷凝器、帶有蒸汽加熱夾套的反應(yīng)釜真空干燥、真空結(jié)晶設(shè)備等。一、外壓容器失穩(wěn)外壓容器：容器外部壓力大于內(nèi)部壓力。2失穩(wěn)的概念：容器外壓與受內(nèi)壓一樣產(chǎn)生徑向和環(huán)向應(yīng)力，是壓應(yīng)力。也會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞。容器強(qiáng)度足夠卻突然失去了原有的形狀，筒壁被壓癟或發(fā)生褶縐，筒壁的圓環(huán)截面一瞬間變成了曲波形。這種在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱彈性失穩(wěn)。容器發(fā)生彈性失穩(wěn)將使容器不能維持正常操作，造成容器失效。失穩(wěn)的概念：容器外壓與受內(nèi)壓一樣產(chǎn)生徑向和環(huán)向應(yīng)力，是壓應(yīng)力3失穩(wěn)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)：外壓失穩(wěn)前，只有單純的壓縮應(yīng)力，在失穩(wěn)時(shí)，產(chǎn)生了以彎曲應(yīng)力為主的附加應(yīng)力。外壓容器的失穩(wěn)，實(shí)際上是容器筒壁內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)由單純的壓應(yīng)力平衡躍變?yōu)橹饕軓澢鷳?yīng)力的新平衡。

失穩(wěn)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)：外壓失穩(wěn)前，只有單純的壓縮應(yīng)力，在失穩(wěn)時(shí)，產(chǎn)4外壓圓筒設(shè)計(jì)ppt課件5長(zhǎng)園筒長(zhǎng)園筒6外壓圓筒設(shè)計(jì)ppt課件7二、容器失穩(wěn)形式二、容器失穩(wěn)形式8㈠側(cè)向失穩(wěn)由于均勻側(cè)向外壓引起失穩(wěn)叫側(cè)向失穩(wěn)。殼體橫斷面由原來的圓形被壓癟而呈現(xiàn)波形，其波形數(shù)可以等于兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)……。㈠側(cè)向失穩(wěn)由于均勻側(cè)向外壓引起失穩(wěn)叫側(cè)向失穩(wěn)。9㈡軸向失穩(wěn)

薄壁圓筒承受軸向外壓，當(dāng)載荷達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，也會(huì)喪失穩(wěn)定性。失穩(wěn)，仍具有圓環(huán)截面，但破壞了母線的直線性，母線產(chǎn)生了波形，即圓筒發(fā)生了褶縐。㈡軸向失穩(wěn)薄壁圓筒承受軸向外壓，當(dāng)載荷達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，也10㈢局部失穩(wěn)

在支座或其他支承處以及在安裝運(yùn)輸中由于過大的局部外壓也可能引起局部失穩(wěn)。㈢局部失穩(wěn)在支座或其他支承處以及在安裝運(yùn)輸中由于過大的11三、臨界壓力計(jì)算臨界壓力：導(dǎo)致筒體失穩(wěn)的外壓力，Pcr臨界應(yīng)力：筒體在臨界壓力作用下，筒壁內(nèi)的環(huán)向壓縮應(yīng)力，以scr表示。外壓低于Pcr，變形在壓力卸除后能恢復(fù)其原先形狀，即發(fā)生彈性變形。達(dá)到或高于Pcr時(shí)，產(chǎn)生的曲波形將是不可能恢復(fù)的。三、臨界壓力計(jì)算臨界壓力：導(dǎo)致筒體失穩(wěn)的外壓力，Pcr12臨界壓力與哪些因素有關(guān)？失穩(wěn)是固有性質(zhì)，不是由于圓筒不圓或是材料不均或其它原因所導(dǎo)致。每一具體的外壓圓筒結(jié)構(gòu)，都客觀上對(duì)應(yīng)著一個(gè)固有的臨界壓力值。臨界壓力的大小與筒體幾何尺寸、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。臨界壓力與哪些因素有關(guān)？失穩(wěn)是固有性質(zhì)，不是由于13根據(jù)失穩(wěn)情況將外壓圓筒分為三類：長(zhǎng)圓筒：剛性封頭對(duì)筒體中部變形不起有效支撐，最容易失穩(wěn)壓癟，出現(xiàn)波紋數(shù)n=2的扁圓形。短圓筒：兩端封頭對(duì)筒體變形有約束作用，失穩(wěn)破壞波數(shù)n>2，出現(xiàn)三波、四波等的曲形波。剛性圓筒：304不銹鋼板若筒體較短，筒壁較厚，即L/D0較小，de/D0較大，容器的剛性好，不會(huì)因失穩(wěn)而破壞。根據(jù)失穩(wěn)情況將外壓圓筒分為三類：長(zhǎng)圓筒：剛性封頭對(duì)筒體中部變14㈠長(zhǎng)圓筒

式中Pcr-臨界壓力，MPa；de-筒體的有效厚度，mm；D0-筒體的外直徑，mmEt-操作溫度下圓筒材料的彈性模量，MPa

m-材料的泊桑比。長(zhǎng)圓筒的臨界壓力計(jì)算公式：㈠長(zhǎng)圓筒式中Pcr-臨界壓力，MPa；長(zhǎng)圓筒的臨界15分析：長(zhǎng)圓筒的臨界壓力僅與圓筒的相對(duì)厚度de/D0有關(guān)，而與圓筒的相對(duì)長(zhǎng)度L/D0無關(guān)。對(duì)于鋼制圓筒，m=0.3，則

分析：對(duì)于鋼制圓筒，m=0.3，則

16㈡短圓筒短圓筒的臨界壓力計(jì)算公式為：

短圓筒臨界壓力與相對(duì)厚度de/D0有關(guān)，也隨相對(duì)長(zhǎng)度L/D0變化。L/D0越大，封頭的約束作用越小，臨界壓力越低。㈡短圓筒短圓筒的臨界壓力計(jì)算公式為：短圓筒臨界壓力與相17L為筒體計(jì)算長(zhǎng)度，指兩相鄰加強(qiáng)圈的間距；對(duì)與封頭相連接的那段筒體而言，應(yīng)計(jì)入凸形封頭中的1/3的凸面高度。L為筒體計(jì)算長(zhǎng)度，指兩相鄰加強(qiáng)圈的間距；18臨界壓力計(jì)算公式使用范圍：臨界壓力計(jì)算公式在認(rèn)為圓筒截面是規(guī)則圓形及材料均勻的情況下得到的。實(shí)際筒體都存在一定的圓度，不可能是絕對(duì)圓的，實(shí)際筒體臨界壓力將低于計(jì)算值。但即使殼體形狀很精確和材料很均勻，當(dāng)外壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，也會(huì)失穩(wěn)，只不過是殼體的圓度與材料的不均勻性能使其臨界壓力的數(shù)值降低，使失穩(wěn)提前發(fā)生。臨界壓力計(jì)算公式使用范圍：臨界壓力計(jì)算公式在認(rèn)為圓筒截面是規(guī)19㈢剛性筒

剛性筒是強(qiáng)度破壞，計(jì)算時(shí)只要滿足強(qiáng)度要求即可，其強(qiáng)度校核公式與內(nèi)壓圓筒相同。

㈢剛性筒剛性筒是強(qiáng)度破壞，計(jì)算時(shí)只要滿足強(qiáng)度要求即可，其20圓筒在外壓作用下的屈服壓力對(duì)薄壁容器，圓筒外壓失穩(wěn)的壓力遠(yuǎn)小于被壓屈服的壓力，即穩(wěn)定破壞先于強(qiáng)度破壞圓筒強(qiáng)度上的承壓能力與材料的屈服極限σs直接相關(guān)，而圓筒穩(wěn)定性上的承壓能力與材料的彈性模量E直接相關(guān)，所以用高強(qiáng)度鋼板代替低強(qiáng)度鋼板制作外壓圓筒不能有效地提高它的抗失穩(wěn)能力。筒體的長(zhǎng)度不能影響圓筒強(qiáng)度的高低，但卻影響圓筒的臨界壓力值。比較圓筒在外壓作用下的屈服壓力對(duì)薄壁容器，圓筒外壓失穩(wěn)的壓力遠(yuǎn)小21㈣臨界長(zhǎng)度實(shí)際外壓圓筒是長(zhǎng)圓筒還是短圓筒，可根據(jù)臨界長(zhǎng)度Lcr來判定。

當(dāng)圓筒處于臨界長(zhǎng)度Lcr時(shí)，長(zhǎng)圓筒公式計(jì)算臨界壓力Pcr值和短圓筒公式計(jì)算臨界壓力Pcr值應(yīng)相等㈣臨界長(zhǎng)度實(shí)際外壓圓筒是長(zhǎng)圓筒還是短圓筒，可根據(jù)臨界長(zhǎng)度L22得：當(dāng)筒長(zhǎng)度L≤Lcr時(shí)，Pcr按短圓筒

當(dāng)筒長(zhǎng)度L≥Lcr，Pcr按長(zhǎng)圓筒外壓筒體計(jì)算長(zhǎng)度L：指筒體上兩個(gè)剛性構(gòu)件如封頭、法蘭、加強(qiáng)圈之間的最大距離。對(duì)于凸形端蓋：L＝圓筒長(zhǎng)＋封頭直邊段＋1/3端蓋深度對(duì)于法蘭：L＝兩法蘭面之間的距離對(duì)于加強(qiáng)圈：L＝加強(qiáng)圈中心線之間的距離得：當(dāng)筒長(zhǎng)度L≤Lcr時(shí)，Pcr按短圓筒23hi/3hi/3hihiLLLLLLhi/3hihi/3圖4-11外壓圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度(a)(b)(c)(d)(e)(f)hi/3hi/3hihiLLLLLLhi/3hihi/3圖424四、外壓圓筒的設(shè)計(jì)㈠算法概述

外壓圓筒計(jì)算常遇到兩類問題：一是已知圓筒的尺寸，求它的許用外壓[p]；另一是已給定工作外壓，確定所需厚度de。四、外壓圓筒的設(shè)計(jì)㈠算法概述251．許用外壓[p]圓度，長(zhǎng)圓筒或管子一般壓力達(dá)到臨界壓力值的l／2～1／3時(shí)就可能會(huì)被壓癟。大于計(jì)算壓力的工況，不允許在外壓力等于或接近于臨界壓力下工作，必須有一定的安全裕度，使許用壓力比臨界壓力小，即

[p]-許用外壓；m-穩(wěn)定安全系數(shù)，m>11．許用外壓[p]圓度，長(zhǎng)圓筒或管子一般壓力達(dá)到26穩(wěn)定安全系數(shù)m的選取主要考慮兩個(gè)因素：計(jì)算公式的可靠性；制造上所能保證的圓度。根據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》的規(guī)定m=3，圓度與D0/de、L/D0有關(guān)。公式按規(guī)則圓形推的，實(shí)際圓筒總存在一定的不圓度，公式的使用范圍必須要求限制筒體的圓度e。穩(wěn)定安全系數(shù)m的選取主要考慮兩個(gè)因素：27外壓圓筒設(shè)計(jì)ppt課件282．設(shè)計(jì)外壓容器由于Pcr或[p]都與筒體的幾何尺寸（de、D0、L）有關(guān)，通常采用解析法：設(shè)計(jì)外壓容器，應(yīng)使許用外壓[p]小于臨界壓力Pcr，即穩(wěn)定條件為：2．設(shè)計(jì)外壓容器由于Pcr或[p]都與筒體的幾何尺寸（de、29解析法:計(jì)算步驟1、假設(shè)壁厚dn，de=dn-C;計(jì)算筒體長(zhǎng)度L;2、計(jì)算Lcr,，判斷L是否大于Lcr；

對(duì)于長(zhǎng)圓筒：L>Lcr，

對(duì)于短圓筒：L

Lcr，3、比較P和[P]，若P

[P]且較接近，則假設(shè)的dn符合要求；4、計(jì)算，工程上解析法:計(jì)算步驟30設(shè)計(jì)外壓：不小于正常工作過程中可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差。真空容器：有安全控制裝置（真空泄放閥），取1.25倍最大內(nèi)外壓差或0.1MPa中較小值；無安全控制裝置，取0.1MPa帶夾套容器：真空設(shè)計(jì)壓力再加上夾套設(shè)計(jì)壓力。設(shè)計(jì)外壓：不小于正常工作過程中可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力31（二）圖算

長(zhǎng)、短圓筒臨界壓力計(jì)算式均可歸納為K為特征系數(shù)，外壓圓筒在臨界壓力下的周向應(yīng)力為（二）圖算長(zhǎng)、短圓筒臨界壓力計(jì)算式均可歸納為K為特征系數(shù)32

圖算法器壁上的應(yīng)變：器壁上的應(yīng)力：K為特征系數(shù)臨界壓力：圖算法來源圖算法器壁上的應(yīng)變：器壁上的應(yīng)力：K為特征系數(shù)臨界壓力：圖33外壓圓筒幾何參數(shù)計(jì)算圖外壓圓筒幾何參數(shù)計(jì)算圖34外壓圓筒設(shè)計(jì)ppt課件35圓筒的許用外壓力：令則而此即為B－A圖的由來圓筒的許用外壓力：令則而此即為B－A圖的由來36外壓圓筒設(shè)計(jì)ppt課件37外壓圓筒設(shè)計(jì)ppt課件38外壓圓筒設(shè)計(jì)ppt課件39系數(shù)A=εcr系數(shù)B/MPa系數(shù)A=εcr系數(shù)B/MPa40二、圖算法的計(jì)算步驟1、假設(shè)壁厚dn，de=dn-C

，計(jì)算筒體長(zhǎng)度L;2、計(jì)算L/Do、Do/de，查A，若L/Do>50，用L/Do＝50查A；3、在確定筒體材料后，在對(duì)應(yīng)材料的A-B圖上，由A值向上引垂線，查B值。若A在設(shè)計(jì)溫度的材料線右方，則垂直移動(dòng)與材料溫度線相交，再水平右移，在圖的右方縱坐標(biāo)上得到B并按下式計(jì)算許可設(shè)計(jì)外壓若A值落在對(duì)應(yīng)的材料溫度線的左方（即與材料溫度線沒有交點(diǎn)），則說明圓筒已發(fā)生彈性失穩(wěn)，B值按下式計(jì)算許可外壓為4、比較P和[P]，若P

[P]且較接近，則假設(shè)的dn符合要求二、圖算法的計(jì)算步驟41五、外壓容器的試壓

外壓容器和真空容器按內(nèi)壓容器進(jìn)行液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力取1.25倍的設(shè)計(jì)外壓，即

式中p-設(shè)計(jì)外壓力，MPa；

pT-試驗(yàn)壓力，MPa。五、外壓容器的試壓外壓容器和真空容器按內(nèi)壓容器進(jìn)行液壓試42夾套容器內(nèi)筒如無縫鋼管設(shè)計(jì)壓力為正值時(shí)，按內(nèi)壓容器試壓；如設(shè)計(jì)壓力為負(fù)值時(shí)按外壓容器進(jìn)行液壓試驗(yàn)。

夾套容器內(nèi)筒如無縫鋼管設(shè)計(jì)壓力為正值時(shí)，按內(nèi)壓容器試壓；如設(shè)43夾套容器液壓試驗(yàn)合格后再焊接夾套。夾套內(nèi)壓試驗(yàn)壓力夾套內(nèi)壓試驗(yàn)必須事先校核該容器在夾套試壓時(shí)的穩(wěn)定性是否足夠。不滿足穩(wěn)定性，則液壓試驗(yàn)時(shí)容器內(nèi)保持一定壓力，以便在整個(gè)試壓過程中，夾套與筒體的壓力差不超過設(shè)計(jì)值。夾套容器液壓試驗(yàn)合格后再焊接夾套。夾套內(nèi)壓試驗(yàn)壓力44例4-3：分餾塔內(nèi)徑2000mm，塔身(不包括橢圓形封頭)長(zhǎng)度為6000mm，封頭深度500mm。370℃及真空條件下操作?，F(xiàn)庫存有9、12、14mm厚20g鋼板。能否用這三種鋼板制造。

塔的計(jì)算長(zhǎng)度鋼板負(fù)偏差均為0.8mm鋼板的腐蝕裕量取1mm。有效厚度為7.2、10.2和12.2mm。簡(jiǎn)化計(jì)算，有效厚度7、10和12mm例4-3：分餾塔內(nèi)徑2000mm，塔身(不包括橢圓形封頭)長(zhǎng)45當(dāng)de=7mm時(shí)查圖4-15得A=0.000085。20g鋼板的ss=250MPa（查附錄6），查圖4-17，A值點(diǎn)落在材料溫度線得左方，故20g鋼板370℃時(shí)的E=1.69×105MPa[p]＜0.1MPa，所以9mm鋼板不能用。當(dāng)de=7mm時(shí)查圖4-15得A=0.000085。20g鋼46當(dāng)de=10mm時(shí)

查圖4-15得A=0.000013。查圖4-17，A值所在點(diǎn)仍在材料溫度線得左方，故

[p]＜0.1MPa，所以12mm鋼板也不能用。

當(dāng)de=10mm時(shí)查圖4-15得A=0.000013。查圖47當(dāng)de=12mm時(shí)

查圖4-15得A=0.000018。查圖4-17，A值所在點(diǎn)仍在材料溫度線得左方，故

[p]＞0.1MPa，所以，須采用14mm厚的20g鋼板制造。當(dāng)de=12mm時(shí)查圖4-15得A=0.000018。查圖48六、加強(qiáng)圈

內(nèi)徑2000mm、全長(zhǎng)7000mm的分餾塔，要保證在0.1MPa外壓下安全操作，須用14mm厚鋼板。較簿鋼板滿足不了外壓要求。裝上一定數(shù)量的加強(qiáng)圈，利用圈對(duì)筒壁的支撐作用，可以提高圓筒的臨界壓力，從而提高其工作外壓。

六、加強(qiáng)圈內(nèi)徑2000mm、全長(zhǎng)7